利用銅陵尾礦料制備無機人造石裝飾材料的研究

吳琛 趙寶軍 曾正祥 王俊 尹正

（廣東海龍建筑科技有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

銅陵市素有“中國古銅都”之稱，屬長江中下游成礦帶，是著名的礦業(yè)城市，也是重要的有色金屬基地，截至2015年底，查明資源儲量的礦產(chǎn)有煤、鐵、銅、金、銀、硫鐵礦和水泥用灰?guī)r等26種，其中銅礦儲量425萬噸，金礦333噸，硫鐵礦54992萬噸。礦產(chǎn)地164處，其中大型17處、中型19處、小型以下128處。銅陵市已建立完整的勘探、采礦、選礦、冶煉加工的有色金屬產(chǎn)業(yè)鏈[1]，礦業(yè)及相關產(chǎn)業(yè)成為了國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)。

長期的采選冶生產(chǎn)活動造成了礦產(chǎn)固體廢棄物堆積問題突出，全市累計建有尾礦庫約47個，其中在用尾礦庫10個，停用尾礦庫24個，閉庫尾礦庫13個。尾礦庫庫存尾砂存量巨大，帶來的環(huán)境問題及安全問題日益凸顯，主要有尾砂重金屬造成水土污染，占用土地資源，還存在一定的安全隱患，有產(chǎn)生泥石流風險，且尾礦庫維護經(jīng)濟成本高昂，這制約了銅陵市城市發(fā)展及生態(tài)文明建設，對大量尾礦料的處理已經(jīng)成為銅陵市迫切需要解決的問題[2]。

目前，國內(nèi)的人造石產(chǎn)品主要是以不飽和聚酯樹脂制成的有機人造石崗石、有機人造石英石及以鋁粉作為填充料的實體面材人造石，還有用無機硅酸鹽作為膠凝材料澆筑成型的無機水磨石或用荒料壓制法制成的無機水磨石[3]。上述有機、無機人造石都從市場上購買精加工的鈣砂、石英砂或玻璃顆粒作為其主要填充骨料，不但浪費礦產(chǎn)資源，且價格昂貴，導致最終產(chǎn)品售價居高不下。用無機膠粘劑制成的無機人造石不但價格昂貴，性能也存在問題，如抗折、抗壓強度低，吸水率高及表面返堿嚴重等。而以尾礦料作為填充骨料、應用壓板法工藝制成的無機人造石，不但消解了尾礦庫對地區(qū)環(huán)境的安全隱患，釋放土地資源，緩解下游企業(yè)關鍵性生產(chǎn)原料價格高、供應緊張等問題，而且產(chǎn)品性能也大幅度超過了行業(yè)標準JC/T 507-2012《建筑裝飾用水磨石—水泥人造石》的指標[4]。

本文對以尾礦料作為主要填充料，利用無機膠凝材料作為粘接劑，并配以白色、黑色、黃色等無機顏料及外加劑，均勻混合，在高真空、高頻振動條件下生產(chǎn)新型無機人造石產(chǎn)品展開研究，這對于推進節(jié)能減排，發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)，資源再利用，開拓循環(huán)經(jīng)濟，建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會有重要意義，為尾礦難處理問題提供可行的解決方案。

1 試驗部分

1.1 原材料

①銅陵尾礦料（以下簡稱為尾礦料），將取自銅陵水木沖尾礦庫的尾礦料先晾曬、篩分，再分級包裝；②水泥，52.5R白色硅酸鹽水泥（江西銀杉水泥有限公司）；③聚羧酸減水劑；④增強劑，外購偏高嶺土超細粉；⑤增韌劑乳液；⑥拜爾系列色粉顏料。

1.2 試驗方法

以尾礦料顆粒為主要填充骨料，白色硅酸鹽水泥為膠凝材料，偏高嶺土、乳液作為無機人造石產(chǎn)品的增強增韌劑，用減水劑、無機顏料等作為外加劑，按和易性要求加入一定量自來水，經(jīng)過行星式攪拌機攪拌均勻后，再經(jīng)過對輥打散機將攪拌中存在的球團打散破碎，然后進入320×320mm橡膠模具中布料，布料完成后將模具通過輸送帶送入壓機內(nèi)腔，先下壓框、提起壓頭，對壓機內(nèi)腔進行抽真空處理，待真空度達到-0.095MPa后，再下壓頭至模具框內(nèi)，對布好的坯料進行振動壓制成型，壓制完成后破真空，提起壓頭、壓框，將模具從壓機內(nèi)腔送出，24h后脫模，放入恒溫恒濕的養(yǎng)護箱內(nèi)進行養(yǎng)護，七天后可進行定厚、拋光及切割后處理工序。按建材行業(yè)標準JC/T 507-2012《建筑裝飾用水磨石—水泥人造石》檢測其相關性能。

影響人造石強度的一個主要因素是人造石中各組成材料的顆粒級配，因此利用尾礦料作為填充骨料，需要確定其合理級配，以制備高性能的無機人造石。尾礦料顆粒的最佳配比用以下方法進行測試和表征：選用不同規(guī)格的標準篩，對尾礦料分別進行篩分，篩分后的尾礦料顆粒作為試驗材料，其粒徑規(guī)格是粗顆粒6～10目，中顆粒20～30目，細1 顆粒100～120 目，細2 顆粒30～60 目。表1為不同粒級尾礦料顆粒的容重[5]。

表1 不同粒徑尾礦料顆粒振動前后的容重（g/cm3）Tab.1 Bulk density of tailings of different particle sizes with or without vibration (g/cm3)

采用容重法確定尾礦料的合理顆粒級配：以大顆粒為基礎，在大顆粒中摻入不同數(shù)量的中顆粒，分別測試其容重；當容重最大時，認為此時中顆粒充分填充了大顆粒的間隙，大、中顆粒的比例即為合理配比。再在此比例的顆粒中摻入細顆粒，用同樣的方法求得新的合理配比。如此重復，得出的最終比例即為合理的顆粒級配。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同顆粒配比對尾礦料容重的影響

先測試尾礦粗顆粒與中顆粒的配比。設粗顆粒的質(zhì)量為1，中顆粒質(zhì)量從0～1；中顆粒質(zhì)量為1，粗顆粒質(zhì)量從0～1，測定尾礦料的容重，其結(jié)果如表2和表3所示。

表2 不同顆粒配比下的容重（一）Tab.2 Bulk density under different particle ratios

表3 不同顆粒配比下的容重（二）Tab.3 Bulk density under different particle ratios

由表2和表3可見，當粗、中顆粒比為1:0.9時，無論振動前后容重都最大，可以認為該比例為尾礦料中粗顆粒與中顆粒的最佳合理配比。

將該試驗組混合料質(zhì)量看作1的整體，細顆粒質(zhì)量從0.1起始，每次增加0.1，分別測定尾礦料的容重。由于粗、中顆粒間選用不連續(xù)分布顆粒可獲得較好的試驗結(jié)果，選用不連續(xù)分布的細1顆粒進行試驗，其結(jié)果如表4所示，作為對比，采用同樣的方法，用細2顆粒進行試驗，其結(jié)果如表5所示。

表4 不同顆粒配比下的容重（三）Tab.4 Bulk density under different particle ratios

表5 不同顆粒配比下的容重（四）Tab.5 Bulk density under different particle ratios

由以上試驗結(jié)果可以看出，不連續(xù)分布的尾礦料顆粒在顆粒級配中能夠獲得較高的容重，當配比為1:0.4時容重最大為1.7905g/cm3；連續(xù)分布的尾礦料顆粒在顆粒級配中則不能獲得較高的容重，當配比為1:0.3時容重最大為1.6437g/cm3，這與所設計的容重法確定合理顆粒級配的原理相一致。

2.2 尾礦料粒度級配對人造石性能的影響

采用52.5R白色硅酸鹽水泥為膠結(jié)材料，在膠骨比為0.37，水膠比為0.22，減水劑用量為水泥重量的0.4%條件下，成型無機人造石，參照JC/T 507-2012《建筑裝飾用水磨石—水泥人造石》進行性能測試。尾礦骨料粒度級配對無機人造石性能的影響見表6，其中樣品1為尾礦料不經(jīng)過篩分處理，直接攪拌、壓制成型，樣品2為尾礦料經(jīng)過篩分后采用連續(xù)級配成型，樣品3為尾礦料經(jīng)過篩分后采用不連續(xù)級配成型。

表6 尾礦骨料粒度級配對無機人造石性能的影響Tab.6 Effects of tailings aggregate size gradation on performance of inorganic artificial stone

由表6可知，各樣品的性能指標均超過JC/T 507-2012《建筑裝飾用水磨石—水泥人造石》的要求（規(guī)范要求水泥人造石的抗折強度≥10MPa，吸水率≤4%，光澤度≥60光澤單位），表明利用尾礦料作為填充骨料，以壓板法工藝制備無機人造石是可行的。

此外，由表6和圖1可知，在相同條件下，尾礦料經(jīng)篩分級配后成型的無機人造石產(chǎn)品，其抗折強度、抗壓強度、吸水率及光澤度等性能相較于尾礦料未經(jīng)處理的產(chǎn)品均有顯著提高，其中，采用不連續(xù)分布的合理顆粒級配成型樣品的抗折強度和抗壓強度分別達到19.5MPa和120.6MPa，各提高了33.6%和47.8%。

圖1 尾礦骨料粒度級配對無機人造石力學性能的影響Fig.1 Effects of tailings aggregate size gradation on mechanical properties of inorganic artificial stone

2.3 尾礦料無機人造石與同類裝飾材料的比較

在建筑裝飾領域，有建筑陶瓷、天然石材和傳統(tǒng)有機人造石等裝飾材料。綜觀上述材料，建筑陶瓷應用時間較長，各方面性能較好，但其為燒結(jié)型無機裝飾材料，生產(chǎn)能耗大；天然石材具有天然的裝飾效果和質(zhì)感，但其資源有限，大面積鋪裝時存在色差和不同程度的放射性超標等問題；傳統(tǒng)樹脂型人造石為反應固化型裝飾材料，其色彩搭配多樣，裝飾性較強，但樹脂易老化變形變色，不耐火，易發(fā)霉，且會釋放揮發(fā)性物質(zhì)。因此，研究集建筑陶瓷的耐久性、傳統(tǒng)人造石的裝飾性和天然石材的品質(zhì)于一體的人造石材代表了石材行業(yè)的發(fā)展方向[3]。

表7為自制銅陵尾礦料無機人造石與同類裝飾材料的綜合性能對比。由表7可知，自制尾礦料無機人造石的彎曲強度和壓縮強度等力學性能均顯著優(yōu)于天然石材，表明自制尾礦料無機人造石相較于天然石材具有更豐富的應用場景。自制尾礦料無機人造石在產(chǎn)品密度和吸水率等性能方面也優(yōu)于天然石材，表明自制尾礦料無機人造石結(jié)構致密，具有更優(yōu)異的抗?jié)B透性能，能較好緩解天然石材使用過程中普遍存在的返堿現(xiàn)象。而相較于傳統(tǒng)樹脂型人造石，自制尾礦料無機人造石在力學性能和抗?jié)B透性方面略有不足，但其線性熱膨脹系數(shù)、莫氏硬度、尺寸穩(wěn)定性和防火性等方面均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)樹脂型人造石，表明自制尾礦料無機人造石具有更優(yōu)異的耐火、耐高溫、耐老化等性能，能取代傳統(tǒng)樹脂型人造石應用于防火要求較高的公共場所以及不適用傳統(tǒng)樹脂型人造石的室外地面、墻面等，極大地拓寬人造石材的應用領域。

表7 尾礦料無機人造石與同類裝飾材料的性能對比Tab.7 Performance comparison between tailings inorganic artificial stone and other decorative materials

綜上可知，自制銅陵尾礦料無機人造石具有優(yōu)異的力學性能，耐久性良好，可廣泛應用于公共建筑和家庭裝修等領域，具有廣闊的市場應用前景。

3 結(jié)論

1）利用銅陵尾礦料作為填充骨料，以壓板法工藝制備的無機人造石，其各項性能指標均超過JC/T 507-2012《建筑裝飾用水磨石—水泥人造石》的標準。

2）銅陵尾礦料顆粒級配以不連續(xù)的顆粒分布為佳。采用合理顆粒級配，銅陵尾礦料顆粒容重由單一顆粒的1.1574～1.5316g/cm3提高到1.7905g/cm3，增幅為14.5%～35.4%。

3）在成型條件相同的情況下，利用合理級配的銅陵尾礦料為骨料的人造石試件力學性能更好，抗折強度和抗壓強度分別達到19.5MPa和120.6MPa，相較于尾礦料未經(jīng)處理的成型產(chǎn)品，各提高了33.6%和47.8%。

4）相較于市場上同類建筑裝飾材料，銅陵尾礦料無機人造石不僅具有優(yōu)異的力學性能，還有著良好的耐久性以及應用場合多樣性，市場前景廣闊，為尾礦處理提供了指導。